Mạng Không Dây: Kiến trúc & Định tuyến

Phần này giới thiệu về mạng cá nhân không dây WPAN, tập trung vào công nghệ Bluetooth. Bluetooth, mặc dù được phát triển từ giữa những năm 1990, chỉ trở nên phổ biến rộng rãi vào năm 2002, được tích hợp vào nhiều thiết bị như laptop, chuột, máy quay phim và điện thoại di động. Công nghệ này chủ yếu được sử dụng như một sự thay thế cho cáp kết nối các thiết bị ngoại vi, chứ không phải là một giải pháp cho phép nhiều thiết bị giao tiếp trực tiếp với nhau trong phạm vi rộng như nhà hoặc văn phòng. Một chuẩn đáng chú ý liên quan đến WPAN là IEEE 802.15.4, định nghĩa giao thức kết nối các thiết bị ngoại vi truyền thông sóng vô tuyến trong hệ thống mạng người dùng đơn. Chuẩn này sử dụng phương pháp CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) và kỹ thuật DSSS (Direct-Sequence Spread Spectrum) ở băng tần 2.45GHz, hỗ trợ tốc độ lên tới 250 Kbps, và cũng hỗ trợ băng tần từ 868MHz đến 20.915MHz với tốc độ thấp hơn (20-40 Kbps) và phạm vi phủ sóng nhỏ hơn (dưới 20m). So sánh với các mạng có dây, tốc độ truyền dữ liệu của IEEE 802.15.4 (1Mbps) còn khá thấp (so với 10Mbps của nhiều mạng có dây hiện tại).

Phần này tập trung vào WLAN, một loại mạng không dây được sử dụng rộng rãi trong các tòa nhà, trường học, bệnh viện, công ty và nhiều nơi công cộng khác. WLAN sử dụng hai công nghệ chính để truyền thông: truyền thông bằng tia hồng ngoại (Infrared Light) ở bước sóng 900nm và truyền thông bằng sóng vô tuyến (radio). Sóng radio được sử dụng phổ biến hơn do khả năng truyền xa hơn, lâu hơn, rộng hơn và có băng thông cao hơn. WLAN có hai dạng kiến trúc chính: WLAN có cơ sở hạ tầng (Infrastructure) sử dụng Access Point (hoặc trạm cơ sở Base Station) để kết nối mạng không dây với mạng có dây truyền thống, và WLAN không có cơ sở hạ tầng (Ad hoc), được đề cập chi tiết ở phần sau. Sự phát triển của WLAN từ năm 1992, khi các nhà sản xuất bắt đầu bán các sản phẩm WLAN sử dụng băng tần 2.4 GHz, cho thấy sự tiến bộ vượt bậc về tốc độ truyền dữ liệu. Tuy nhiên, ban đầu, các sản phẩm này là giải pháp riêng lẻ của từng nhà sản xuất, dẫn đến nhu cầu về một chuẩn mạng không dây chung. Sự tiện lợi của các thiết bị di động nhỏ gọn như PDA và Laptop, ngày càng tích hợp bộ thu phát vô tuyến, thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của WLAN. Khả năng linh động là một lợi thế lớn của WLAN, cho phép người dùng truy cập mạng ở bất cứ đâu, ví dụ điển hình là các quán cà phê Wifi. Tuy nhiên, chi phí cao của các thiết bị WLAN so với mạng có dây và vấn đề độc quyền trong sản phẩm, cùng với quy định về tần số phát của các quốc gia, là những thách thức cần giải quyết để thúc đẩy sự phát triển của công nghệ này.

Phần này mô tả lớp vật lý trong chuẩn IEEE 802.11, bao gồm ba phiên bản: hai phiên bản sử dụng công nghệ sóng radio ở dải tần 2.4 GHz và một phiên bản sử dụng công nghệ hồng ngoại. Tất cả các phiên bản đều tích hợp chức năng đánh giá kênh truyền rỗi CCA (Clear Channel Assessment) để xác định trạng thái của môi trường truyền và điểm truy cập dịch vụ vật lý để cung cấp thông tin về tốc độ truyền độc lập với công nghệ truyền thông. Chức năng CCA rất quan trọng trong việc điều khiển truy cập môi trường truyền, giúp tránh xung đột giữa các thiết bị. Sự khan hiếm dải tần sóng vô tuyến dẫn đến việc sử dụng kỹ thuật trải phổ để nâng cao hiệu quả sử dụng tần số. Kỹ thuật trải phổ được so sánh với công nghệ truyền thông băng hẹp truyền thống, nổi bật với công suất đỉnh cao và dải tần số hẹp. Ngược lại, kỹ thuật trải phổ có công suất đỉnh thấp nhưng băng thông rộng, giúp giảm nhiễu và tăng tính bảo mật.

Kỹ thuật FHSS cho phép nhiều mạng không dây hoạt động cùng một lúc trong cùng một vùng phủ sóng bằng cách phân chia dải tần số. Sóng mang thay đổi tần số theo một chuỗi giả ngẫu nhiên (Pseudorandom sequence), với dwell time (thời gian sóng mang tồn tại ở một tần số) và hop time (thời gian chuyển đổi giữa các tần số). Chuỗi này được lặp lại định kỳ. Mặc dù FHSS không loại bỏ hoàn toàn nhiễu, nhưng khả năng trải phổ trên nhiều băng tần giúp đảm bảo truyền dữ liệu ngay cả khi tín hiệu bị nhiễu trên một số tần số. Chuẩn 802.11 xác định tốc độ truyền dữ liệu của FHSS từ 1 đến 2 Mbps.

DSSS, khác với FHSS, có băng thông rộng và công suất thấp. Đặc điểm này giúp giảm nhiễu và tránh tắc nghẽn trong truyền dữ liệu. Bên nhận không mong muốn sẽ khó nhận diện tín hiệu DSSS, tăng cường tính bảo mật. DSSS kết hợp tín hiệu dữ liệu với một chuỗi bit dữ liệu tốc độ cao gọi là chip sequence, tạo thành mã Baker, giúp giảm nhiễu. DSSS có tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn FHSS nhiều lần và khả năng chống nhiễu mạnh, ít bị ảnh hưởng bởi hiện tượng truyền sóng đa đường. Tuy nhiên, việc sử dụng DSSS với các kênh trùng lặp về tần số trong cùng một vị trí vật lý sẽ gây nhiễu hệ thống và làm giảm đáng kể băng thông của mạng. Do đó, việc bố trí kênh trong DSSS cần đảm bảo khoảng cách tần số trung tâm giữa các kênh đủ lớn (thường là 25 MHz) để tránh xung đột.

Kỹ thuật OFDM, tương tự FDM trong mạng có dây, chia kênh radio thành nhiều kênh con song song, mỗi kênh mang một sóng mang con (sub-carrier). Dữ liệu được trải trên nhiều sóng mang này, mỗi sóng mang có tốc độ bit thấp hơn, và các sóng mang là trực giao với nhau. OFDM hỗ trợ truyền dữ liệu tốc độ cao và tăng hiệu quả quang phổ nhờ truyền dẫn song song nhiều sóng mang con, mỗi sóng mang có khả năng mang dữ liệu điều biến. Đây là một kỹ thuật hiện đại giúp tối ưu hóa việc sử dụng băng thông trong môi trường không dây.

Phần này mô tả chi tiết giao thức CSMA/CA, một cơ chế điều khiển truy cập môi trường truyền (MAC) quan trọng trong mạng không dây. CSMA/CA hoạt động dựa trên nguyên tắc "nghe trước khi nói", tức là trước khi truyền dữ liệu, một nút mạng sẽ kiểm tra xem kênh truyền có đang bận hay không bằng cách sử dụng chức năng đánh giá kênh truyền rỗi CCA (Clear Channel Assessment) ở tầng vật lý. Nếu kênh rỗi, nút mạng sẽ chờ một khoảng thời gian DIFS (Distributed InterFrame Spacing) rồi mới bắt đầu truyền. Nếu kênh bận, nút mạng sẽ chờ một khoảng thời gian DIFS cộng thêm một khoảng thời gian trễ ngẫu nhiên (back-off) trước khi kiểm tra lại kênh. Cơ chế back-off ngẫu nhiên này giúp giảm thiểu khả năng xảy ra xung đột khi nhiều nút mạng cùng muốn truyền dữ liệu. Quá trình cảm nhận sóng mang (carrier sense) được thực hiện dựa trên việc kiểm tra lớp vật lý và NAV (Network Allocation Vector), một đồng hồ đếm giờ ảo giúp đặt trước đường truyền. Giá trị Back-off giảm dần cho đến khi bằng 0, nút mạng bắt đầu truyền. Nếu có nút khác truy cập trước, giá trị Back-off được giữ lại. Nút nhận sẽ gửi frame ACK xác nhận nhận thành công. Hình 2.10 minh họa rõ ràng quá trình tranh chấp truy cập trong CSMA/CA.

Vì hầu hết các thiết bị trong mạng không dây sử dụng pin, quản lý năng lượng là yếu tố then chốt để kéo dài thời gian hoạt động và tránh lãng phí năng lượng. Trong mạng không dây chuẩn IEEE 802.11 (IBSS – Independent Basic Service Set), các trạm được thiết lập hai trạng thái: "ngủ" và "làm việc". Khi ở trạng thái ngủ, dữ liệu từ bên phát được lưu tạm trong bộ đệm. Hình 2.22 minh họa quản lý năng lượng trong mạng có cơ sở hạ tầng, sử dụng gói tin beacon, TIM (Traffic Indication Message), và DTIM (Delivery Traffic Indication Message) để thông báo cho các trạm về dữ liệu cần nhận. Các trạm thức dậy định kỳ để nhận gói tin TIM hoặc DTIM. Quản lý năng lượng trong mạng Ad hoc phức tạp hơn do không có trạm truy cập cơ sở trung tâm. Mỗi trạm phải tự lưu dữ liệu và gửi định danh đến các trạm xung quanh khi ở trạng thái làm việc, sử dụng ánh xạ truyền thông ATIM (Advertisement Traffic Indication Message) trong cửa sổ khoảng beacon AITM. Việc tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng là một thách thức quan trọng trong thiết kế và triển khai mạng không dây, đặc biệt là trong mạng Ad hoc.

Phần này giới thiệu khái niệm định tuyến trong mạng Ad Hoc, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tìm đường truyền nhanh và chính xác nhất từ điểm đầu đến điểm cuối. Trong mạng Ad Hoc, mỗi nút mạng đóng vai trò như một router, dẫn đến nhiều tuyến đường khả thi giữa nguồn và đích. Các giao thức định tuyến cần đáp ứng các yêu cầu cơ bản như: tối ưu hóa số lượng tin nhắn điều khiển để giảm tiêu thụ năng lượng và băng thông (truyền dữ liệu tốn năng lượng gấp đôi nhận dữ liệu), quản lý tài nguyên xử lý, và đảm bảo tính bảo mật. Khác với mạng có cơ sở hạ tầng, liên kết giữa các nút trong mạng Ad Hoc có thể không đối xứng, nghĩa là chất lượng truyền thông không đồng đều ở cả hai chiều do sự khác biệt về công suất phát của các nút. Điều này đặt ra thách thức lớn cho các giao thức định tuyến trong việc tiết kiệm năng lượng. Việc tồn tại nhiều tuyến đường dư thừa cũng gây khó khăn trong việc cập nhật bảng định tuyến, cần thiết kế thuật toán để loại bỏ các tuyến không cần thiết.

Phương pháp định tuyến điều khiển theo bảng ghi tập trung vào việc duy trì thông tin định tuyến cập nhật liên tục giữa các nút mạng. Thông tin định tuyến được lưu trữ trong một hoặc nhiều bảng ghi trên mỗi nút và được cập nhật thường xuyên thông qua việc phát quảng bá các thông tin cập nhật tuyến. Phương pháp này đảm bảo tất cả các nút mạng luôn có cái nhìn nhất quán về topo mạng, giúp thích ứng nhanh chóng với những thay đổi trong kết nối. Tuy nhiên, việc phát quảng bá liên tục có thể gây tiêu tốn băng thông và năng lượng, đặc biệt là trong các mạng Ad Hoc có quy mô lớn. Hiệu quả của phương pháp này phụ thuộc vào số lượng bảng ghi cần thiết và cách thức cập nhật thông tin trên mạng.

DSDV là một giao thức định tuyến dựa trên vector khoảng cách, được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong mạng Ad Hoc di động. DSDV sử dụng số trình tự của các nút để tránh các vấn đề như đếm vô hạn hoặc vòng lặp trong việc cập nhật tuyến. Mỗi nút tăng số trình tự của mình khi có sự thay đổi trong topo mạng (thêm hoặc bớt liên kết). Việc lựa chọn tuyến đường dựa trên số trình tự, đảm bảo sử dụng thông tin mới nhất. Mỗi nút duy trì một bảng định tuyến bao gồm thông tin như địa chỉ IP đích, số trình tự đích, địa chỉ bước truyền kế tiếp, số bước truyền và thời gian thiết lập. DSDV sử dụng cả cập nhật đầy đủ (Full Update) khi topo mạng thay đổi và cập nhật định kỳ (Incremental Update) để xác nhận liên kết với các nút hàng xóm. Tin nhắn Hello được sử dụng để phát hiện các nút hàng xóm hai chặng.

AODV là một giao thức định tuyến theo yêu cầu (on-demand), chỉ tìm kiếm tuyến đường khi cần thiết. Khi một nút nguồn cần gửi dữ liệu đến đích, nó sẽ gửi tin nhắn yêu cầu định tuyến RREQ (Route Request) để khám phá tuyến đường. RREQ chứa thông tin về địa chỉ IP nguồn và đích, số trình tự của đích, và một định danh duy nhất. Các nút trung gian nhận được RREQ sẽ chuyển tiếp tin nhắn cho đến khi đến đích. Nút đích sẽ trả lời bằng tin nhắn RREP (Route Reply) chứa toàn bộ tuyến đường từ đích đến nguồn. Tuyến đường này được sử dụng để truyền dữ liệu. AODV sử dụng tin nhắn RERR (Route Error) để báo cáo lỗi liên kết. Để tối ưu hiệu năng, AODV sử dụng cơ chế TTL (Time To Live) để giới hạn phạm vi tìm kiếm tuyến đường, giảm hiện tượng tràn ngập mạng. AODV cũng có cơ chế RREP-ACK để xác nhận liên kết và phát hiện liên kết một chiều.

DSR khác biệt với các giao thức khác ở chỗ nó không duy trì bảng định tuyến mà sử dụng route cache để lưu trữ các tuyến đường đã khám phá. Khi một tuyến đường bị hỏng, DSR sẽ tìm kiếm tuyến đường thay thế từ route cache. Quá trình khám phá tuyến đường trong DSR cũng dựa trên việc trao đổi tin nhắn RREQ và RREP. Nút đích nhận được RREQ sẽ gửi RREP kèm theo toàn bộ tuyến đường. Các nút trung gian nhận RREP sẽ cập nhật route cache. Tin nhắn RERR được gửi khi liên kết bị hỏng. DSR có cơ chế lắng nghe ngẫu nhiên (promiscuous listening) giúp các nút nhận được thông tin định tuyến cho các đích khác. Để giảm tràn ngập mạng, DSR sử dụng trạng thái chảy tràn (flooding) để hạn chế việc truyền các gói tin định tuyến.

ZRP là một giao thức định tuyến dựa trên vùng (zone-based). Nó sử dụng phương pháp bordercasting để tìm kiếm tuyến đường đến đích. Khi nút nguồn phát hiện đích không nằm trong vùng của mình, nó sẽ gửi tin nhắn truy vấn đến các nút ngoại vi. Các nút ngoại vi sẽ chuyển tiếp tin nhắn truy vấn cho đến khi tìm thấy đích hoặc đã quét toàn bộ mạng. Nút tìm thấy đích sẽ trả lời bằng tin nhắn hồi đáp đến nút nguồn. ZRP có các tối ưu để giảm tin nhắn và xử lý tràn ngập mạng, bao gồm cả việc kết thúc truy vấn sớm khi đích đã được tìm thấy trong một vùng. ZRPv2, một phiên bản nâng cấp, cải tiến cách thức truyền ngoại vi (bordercasting) tạo ra các cây truyền ngoại vi riêng cho mỗi nút, hiệu quả hơn so với phiên bản cũ.